Capitolo C2 – Chimica organica: gli idrocarburi

Chimica organica: gli idrocarburi • Capitolo C2
VERIFICA LE TUE CONOSCENZE
1C
10C
19A
28D
2C
11D
20B
29D
3D
12C
21A
30B
4C
13B; D
22B
31B
5B
14A
23D
32A
6B
15C
24A
33B
7A
16D
25A; C
34C
8A
17C
26B
35B
9B
18B
27B
VERIFICA LE TUE ABILITÀ
36Gli idrocarburi sono composti binari formati da
carbonio e idrogeno.
37 a. CH3—CH—CH2—CH2—CH3
d. 2-bromo-2-metilpropano
e. 3-metilpentano
f. 4-sec-butil-4-metileptano
39a. CH3—CH2—CH2—CH2—CH3
CH3
CH2—CH3
CH3 CH3
c. CH3—CHBr—CH2Br
CH3
3-bromo-4-metileptano
40a.CH3—CF2—CH32,2-difluoropropano
CH3
CHF2—CH2—CH31,1-difluoropropano
e. CHCl2—CH2—CCl2—CH2—CH3
CH2F—CH2—CH2F1,3-difluoropropano
CH3
CH2F—CHF—CH31,2-difluoropropano
CH
f. CH3—CHCl—CH—CH2—CH2—CH2—CH3
CH3
CH3
g. CH3—CH—CH2—CH2—CH—CH2—CH—CH3
CH3—CH—CH2—CH3
CH3
SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
d. CH3—CH—CHBr—CH2—CH3
CH2—CH3
d. CH3—CH—CHBr—CH2—CH3
H3C
1,2-dibromopropano
CH2—CH2—CH3
c. CH3—C—CH2—CH—CH2—CH3
CH3
3-metilpentano
b. CH3—CH—CH2—CH3
b. CH3—CH—CH—CH3
pentano
b.CHBrCl—CHBr21,2,2-tribromo-1-cloroetano
CH2Cl—CBr31,1,1-tribromo-2-cloroetano
CH2Br—CBr2Cl1,1,2-tribromo-1-cloroetano
41d. < c. < a. < b. < e.
42
Br
a.
h. CH3—CH2—CH2—C—CH2—CH2—CH3
CH2—CH3
CH2
F
CH
H3C
CH3
38a. 2,2-dimetilbutano
CH3
b. 1-iodobutano
i. CH2Cl—CCl—CH—CH2—CH2Cl
c. 1-cloro-4-metilpentano
CH
3
Esercizi di fine capitolo
David Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, May R. Berenbaum, Francesco
Ranaldi – Il carbonio, gli enzimi, il DNA. Chimica organica e dei materiali,
biochimica e biotecnologie
b.
F
H3C
CH3
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nell’attività didattica degli alunni delle classi che hanno adottato il testo
c.
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7
b.
F
H3C
c. Le proiezioni di Newman vengono utilizzate
per rappresentare gli isomeri conformazionali, in
cui si immagina di osservare la molecola lungo
la linea che lega tra loro due atomi di carbonio
della catena.
CH3
c.
46a. 1-bromo-2-clorociclobutano
b. 1,2-dietilciclopentano
c. 1,1-dimetilciclopropano
d. 1,3-dimetilciclobutano
CH3
CH2—CH3
d.
CH3
H3C
e.
47 a.
Cl
H
H
Cl
H3C
CH3
Cl
43La clorurazione di un alcano (alogenazione) è una
reazione di sostituzione radicalica; consiste in una
serie di reazioni che procedono attraverso la rottura omolitica del legame covalente, con formazione
di radicali liberi. Prevede generalmente tre stadi:
uno stadio di iniziazione, uno stadio di propagazione, uno stadio di terminazione. Si ottiene una
miscela di prodotti mono-, di-, tri- e tetrasostituiti.
SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
44Sono possibili numerosi isomeri conformazionali
per il butano, in base alla reciproca posizione dei
gruppi metilici. La conformazione sfalsata, con i due
gruppi metilici il più distante possibile tra loro, è
quella più stabile, mentre quella eclissata, con i due
gruppi metilici che si sovrappongono, risulta essere
la meno stabile. Le principali conformazioni sono:
CH3
CH3
CH3
CH3
H3
CH3
CH3
CH3
CH3
1,5-dicloro-2-metilcicloesano
Cl
48Alla base dell’isomeria conformazionale deve
esserci la possibilità di una libera rotazione di
due gruppi intorno a un legame σ, come avviene
nell’etano, in cui i due gruppi metile possono
ruotare l’uno rispetto all’altro intorno al legame σ
instaurato tra i due atomi di carbonio.
49L’isomeria cis/trans viene definita isomeria geometrica ed è dovuta all’impossibilità di libera
rotazione intorno al doppio legame carboniocarbonio, per cui è riscontrabile in tutte le classi
CH3 CH di composti
CH3 che presentano un doppio legame.
3
CH
3
50 a. CH2Cl—CH=CCl—CH
3
CH3 CH3
CH3
b. CH3—C==C—CH2—CH3
CH3
CH3
45a. Nell’isomeria strutturale, o costituzionale, gli
atomi di carbonio sono legati tra loro con un
diverso ordine come, per esempio, nella coppia
n-butano e iso-butano. Gli isomeri di struttura
hanno, quindi, la stessa formula molecolare, ma
una diversa formula di struttura.
b. L’isomeria conformazionale è un particolare tipo
di stereoisomeria in cui gli isomeri sono legati con
gli stessi atomi nelle stesse posizioni, ma hanno
un diverso orientamento nello spazio. L’etano, per
esempio, presenta le conformazioni sfalsata ed eclissata, oltre a tutte le possibili posizioni intermedie.
8
b.
CH3
CH3 CH3
1,2-dimetilciclopropano
Esercizi di fine capitolo
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Ranaldi – Il carbonio, gli enzimi, il DNA. Chimica organica e dei materiali,
biochimica e biotecnologie
c. CH3—C—CH=CH—CH2—CH2—CH3
CH3
CH3 CH2—CH3
d. CH3—C—CH=CH—CH2—CH3
CH3
CH2—CH3
H3C
e.
C=C
H
H
f. CH2=CHBr
H3C
H
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degli alunni delle classi che hanno adottato il testo
g. didatticaC=C
H
CH—CH3
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3
2
e.
3
C=C
H
H
f. CH2=CHBr
55 a. CH2=CH—CH2—CH3
H
g.
C=C
H
H3C
CH—CH3
b.
CH3
H3C
CH3
52Errata corrige: il testo della domanda è: «Qual
è il gruppo funzionale di un alchino?».
Il gruppo funzionale di un alchino è rappresentato dal triplo legame tra due atomi di carbonio.
53I possibili stereoisomeri dell’1,2-dicloroetene sono
il cis-1,2-dicloroetene e il trans-1,2-dicloroetene:
H
Cl

C

C
C
Cl
C
H
H
Cl
—
—
—
H
—
H
Cl
H
59 a. CH3—CH=CH—CH3 + Br2
CCl4
2-butene
trans-2-butene
C=C
CH3
CH3
d. CH2=C—CH3
56 a. CH3—CH2—CH=CH—CH3
b. CH2=C—CH3
metilpropene
2-pentene
2-metil-1-butene
CH2—CH3
c. CH3—CH2—CCl=CH2
2-cloro-1-butene
57Sono isomeri geometrici i composti b e c.
58a. La reazione di addizione elettrofila è
caratteristica di quelle molecole come gli
alcheni, che presentano un doppio legame tra
due atomi di carbonio. Gli agenti che operano
l’attacco al doppio legame sono specie chimiche
che presentano cariche positive o lacune elettroniche, agenti elettrofili, e interagiscono con il
legame π, che rappresenta una possibile fonte di
elettroni.
CH3—CHBr—CHBr—CH3
CH3 CH3
b. CH3—C==C—CH3 + Br2
2,3-dimetil-2-butene
cloruro di vinile
(1-cloroetene)
H
2,3-dibromobutano
CH3 CH3
c. CH2=CHCl + Br2
H3C
c. La regola di Markovnikov può essere così
generalizzata: l’addizione elettrofila a un doppio
legame carbonio-carbonio implica la formazione
del carbocatione intermedio più stabile.
CH3 — C — C — H
H
b. Un carbocatione è uno ione che presenta un
carbonio con carica positiva e può essere stabilizzato dalla presenza di gruppi elettron-donatori
come, per esempio, i gruppi metilici.
trans
cis
54
H
cis-2-butene
H
H
h. CH3—CH=CH—CH—CH2—CH2—CH2—CH3
51a. 2-metil-2-butene
b. 3-cloro-2-metil-1-esene
c. 3-bromo-2,2-dicloro-6-metil-4-ottene
d. trans-3,4-dicloroesene
e. 3,3-dibromo-4,4-dicloro-1-pentene
f. 2,3-dimetil-2-esene
Cl
CH3
C=C
c.
CH
1-butene
SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
H3C
CCl4
CCl4
CH3—CBr—CBr—CH3
2,3-dibromo-2,3-dimetilbutano
CH2Br—CHBrCl
1,2-dibromo-1-cloroetano
Esercizi di fine capitolo
David Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, May R. Berenbaum, Francesco
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9
60 a. CH3—CH=CH—CH2—CH3 + H2
Pt
CH3—CH2—CH2—CH2—CH3
2-pentene
pentano
b. CH2=CH—CH2—CH3 + HBr
CH3—CHBr—CH2—CH3
1-butene
2-bromobutano
CH3
CH3
H
c. CH3—C=CH—CH3 + H2O
+
OH
2-metil-2-butanolo
2-metil-2-butene
61
CH3—C—CH2—CH3
CH3
66a. I composti aromatici sono definiti tali, poiché
presentano un sistema aromatico, cioè
un sistema in cui vi sono 4n + 2 elettroni π
(dove n è un numero intero), e hanno struttura
ciclica e planare, ossia soddisfano la regola di
Hückel.
b. La risonanza prevede la scrittura di più forme
limite di una molecola. La molecola reale avrà
una struttura intermedia fra di esse, riunendo
in sé contemporaneamente un po’ delle caratteristiche dell’una e un po’ dell’altra. La struttura
reale è quindi un ibrido di risonanza tra le forme
limite.
c. L’energia di risonanza è la differenza di
energia fra la molecola reale e la molecola virtuale; può essere determinata dalla differenza
tra valore teorico e valore misurato per via sperimentale del calore di idrogenazione. Maggiore
è l’energia di risonanza, più stabile è la molecola
reale.
a. CH3≡C—CH2—CH—CH3
b. CH3—CCl2—C≡C—CH2—CH3
CH3
c. CH≡C—CH—CH—CH2—CH3
CH2—CH3
d. CH≡C—CBr—CH2—CH3
CH3
e. CHCl2—C≡C—CH2Cl
H3C
CH3
SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
CH
f. CH3—C≡C—C—CH2—CH2—CH3
CH2—CH3
62a. 3,3-dimetil-1-butino
b. 5-metil-3-isopropil-1- eptino
c. 2-metil-3-eptino
d. 5-fluoro-1- esino
e. 4,5,6-tribromo-1- eptino
63 a. CH3—CH2—C≡CH
b. CH3—CH—C≡C—CH3
1-butino
4-cloro-2-pentino
Cl
c. CH3—CH—C≡C—CH3
4-metil-2-esino
CH2—CH3
64 a. CH≡C—CH2—CH2—CH3
b. CH3—C≡C—CH2—CH3
c. CH≡C—CH—CH3
1-pentino
2-pentino
68a. isopropilbenzene
b. p-terz-butilfenolo
c. o-nitrotoluene
d. 3,5-diclorostirene
e. 4-bromo-2-cloroanilina
f. 5-cloro-2,4-dinitrofenolo
Br
3-metil-1-butino
CH3
65a. 2-pentino + HCl
b. 2-butino + Br2 (in una soluzione di CCl4)
10
67a. Per gruppo sostituente si intende un atomo o
un gruppo di atomi che sostituisce un atomo di
idrogeno in una molecola organica.
b. Il benzene viene rappresentato come un esagono regolare con un cerchio al centro e viene
definito anche anello benzenico perché presenta
un sistema aromatico.
c. e d. Se nell’anello benzenico sono presenti due
sostituenti si utilizzano i prefissi orto, meta e para
per definire le reciproche posizioni.
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biochimica e biotecnologie
69
+ Br2
FeBr3
+ HBr
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CH3
CH3
CH3
Br
70 a.
+ Br2
FeBr3
+
o-bromotoluene
NO2
NO2
b.
Br
p-bromotoluene
+ CH3—CH2Cl
AlCl3
+ HCl
CH2—CH3
m-etilnitrobenzene
NO2
71 a.
+ HNO3
H2SO4
NO2
NO2
+ H2O ;
+ Cl2
FeCl3
+ HCl
Cl
b.
+ CH3Cl
AlCl3
CH3
CH3
+ HCl ;
72a. Si può considerare la reazione di addizione
elettrofila come una reazione acido-base di Lewis,
dato che un doppio legame rappresenta una
fonte di elettroni. Perciò la parte di una molecola
che lo contiene, come quella di un alchene, si
comporta come una base di Lewis, mentre una
specie elettrofila, che presenta una carica positiva
o una lacuna elettronica, si comporta come un
acido di Lewis.
b. I dieni sono idrocarburi insaturi contenenti due
doppi legami. Sono di tre tipi: cumulati o alleni
(due doppi legami sullo stesso atomo di carbonio), coniugati (due doppi legami separati da
un legame semplice) e isolati (due doppi legami separati da più di un legame semplice). Per
quanto riguarda la reattività, i dieni non coniugati presentano la stessa reattività degli alcheni
mentre, invece, rivestono particolare importanza i
dieni coniugati, molecole più stabili degli altri tipi
di dieni per il fenomeno della risonanza. I dieni
coniugati danno reazioni di addizione, inoltre
tendono a polimerizzare: per esempio, l’isoprene
(2-metil-1,3-butadiene) forma lunghe catene
composte da unità isoprenoidi, dette terpeni.
Esercizi di fine capitolo
David Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, May R. Berenbaum, Francesco
Ranaldi – Il carbonio, gli enzimi, il DNA. Chimica organica e dei materiali,
biochimica e biotecnologie
+ HNO3
H2SO4
+ H2O
NO2
c. Gli idrocarburi possono essere gassosi, liquidi o
solidi. Sono praticamente insolubili in acqua, ma
solubili nei solventi apolari. Il loro punto di ebollizione aumenta all’aumentare del peso molecolare, di circa 20-30 °C per ogni atomo di carbonio
che viene aggiunto alla catena. Invece la ramificazione della molecola induce una diminuzione
del punto di ebollizione, poiché la superficie di
contatto tra le molecole viene ridotta e quindi
le forze intermolecolari sono più deboli. Il loro
punto di fusione aumenta all’aumentare del peso
molecolare ed è superiore per le catene ramificate
rispetto alle catene lineari.
d. Il complesso sigma è un intermedio instabile
che si forma durante una reazione di sostituzione
elettrofila sull’anello benzenico. Nel complesso σ,
viene scisso un doppio legame e quindi il sistema
perde la propria condizione di aromaticità. Il
complesso σ può essere rappresentato attraverso
tre forme risonanti.
e. Il fenolo ha caratteristiche debolmente acide in
acqua, che possono essere spiegate considerando
la stabilità per risonanza della sua base coniugata,
lo ione fenato.
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SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
CH3
11
73a. La reazione di addizione di acqua agli alchini
porta alla formazione di enoli, i quali vanno
incontro a un fenomeno detto di tautomeria
che, in generale prevede la trasposizione di
un gruppo all’interno della molecola. Le forme
tautomeriche sono due forme reali, in equilibrio
tra loro. Nella risonanza, invece, i doppietti di
elettroni vengono spostati nella molecola mediante una rappresentazione di formule limite.
La struttura reale è un ibrido di risonanza tra
le forme limite.
b. Alcani e alcheni non sono caratterizzati da un
comportamento acido, invece gli alchini presentano una debole acidità, non confrontabile con
quella dell’acqua, ma solo con quella di alcani
e alcheni. Per esempio, l’acetilene ha una Ka di
circa 10–25 e può reagire con basi forti per formare
acetiluri.
c. I cicloalcani presentano una certa tensione
angolare all’interno della molecola, che varia in
base a quanto l’angolo della figura geometrica si
discosta dal valore di 109,5°.
d. Il meccanismo della reazione di sostituzione
elettrofila prevede che il gruppo elettrofilo (E+)
vada alla ricerca di elettroni sull’anello benzenico al quale si lega, causando l’apertura di un
doppio legame e la formazione di una carica
positiva sull’anello. Si produce un complesso σ,
rappresentabile attraverso tre forme risonanti,
nel quale il sistema perde la sua condizione di
aromaticità. Liberando l’idrogeno come H+,
l’anello recupera la sua aromaticità e si forma il
prodotto di reazione.
e. Gli idrocarburi aromatici polinucleari, o IAP, sono
idrocarburi aromatici in cui sono presenti più
anelli.
TEST YOURSELF
74The alkane has five primary carbon atoms, two
secondary carbon atoms, one tertiary carbon
atom and one quaternary carbon atom.
SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
75 Simple alkanes are unsatured compounds containing at least one carbon-carbon double bond.
Their common reaction is an electrophilic addition; it occurs by opening up the double-bond.
In the first step, an electrophile, E+, is attracted
to the carbon-carbon double bond, and the two
electrons of the π bond move towards the E+,
forming a covalent bond. The positive charge on
E+ is transferred to the alkene, forming a carbocation on the most highly substituted carbon,
that is the more stable carbocation. In the second
step, the carbocation combines with the nucleophile, -nuc, that is electron-rich and usually an
anion to form the second covalent bond and the
addition product. The reaction is determined by
Markovnikov’s rule.
76The σ bonds are eleven, while the π bonds are
four.
77B
VERSO L’UNIVERSITÀ
78A79A
80A
VERSO L’ESAME
OSSERVA E CLASSIFICA
82Prima figura (propene): C1 sp , C2 sp , C3 sp ,
alchene.
Seconda figura (toluene): ibridazione degli
atomi di carbonio dell’anello sp2, ibridazione
dell’atomo di carbonio del metile sp3, idrocarburo
aromatico.
Terza figura (etano): C1 sp3, C2 sp3, alcano;
Quarta figura (butadiene): ibridazione di tutti
gli atomi di carbonio sp2, alchene.
2
2
3
OSSERVA E DESCRIVI
83Prima figura: benzene; seconda figura: cicloesano «a barca»; terza figura: cicloesano «a
sedia». Benzene e cicloesano non sono isomeri,
12
Esercizi di fine capitolo
David Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, May R. Berenbaum, Francesco
Ranaldi – Il carbonio, gli enzimi, il DNA. Chimica organica e dei materiali,
biochimica e biotecnologie
avendo formula molecolare differente. Il cicloesano «a barca» e il cicloesano «a sedia» sono tra di
loro conformeri.
RIFLETTI
84Il termine «radicale» viene utilizzato col significato di sostituente (es. radicale alchilico) o di specie
reattiva derivante da rottura omolitica di un
legame covalente.
85a. Alcheni – idrocarburi insaturi: non hanno lo
stesso significato, in quanto esistono molecole
insature (come gli alchini) che non sono alcheni.
b. Alcani e cicloalcani – idrocarburi saturi: hanno
lo stesso significato, in quanto indicano molecole
con atomi di carbonio a ibridazione sp3.
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c. Idrocarburi alifatici – idrocarburi non aromatici:
hanno lo stesso significato, in quanto indicano gli
idrocarburi che possono essere classificati come
alifatici oppure aromatici (categorie mutuamente
esclusive).
d. Benzene – idrocarburi aromatici: non hanno
lo stesso significato, in quanto esistono molecole
aromatiche diverse dal benzene.
b. In prossimità del pavimento a causa dell’elevata densità del GPL, che quindi si stratifica al di
sotto dell’aria.
RIFLETTI E RICERCA
88La ciclicità.
RIFLETTI
87I legami tripli sono più reattivi dei legami doppi,
che sono più reattivi dei legami singoli.
ANALIZZA E DEDUCI
SOLUZIONI
DEGLI ESERCIZI
DI FINE CAPITOLO
86a. Combustione.
Esercizi di fine capitolo
David Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, May R. Berenbaum, Francesco
Ranaldi – Il carbonio, gli enzimi, il DNA. Chimica organica e dei materiali,
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13